基于鐵路專用通信GSM-R的無線路測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

摘 要:GSM-R網(wǎng)絡(luò)是新一代鐵路無線通信系統(tǒng),對(duì)其無線接口的路測(cè)工具日益為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作者所急需。首先介紹并分析了GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)模型、無線接口協(xié)議,然后討論了無線路測(cè)的目的以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作的意義,在總結(jié)并分析這些理論的基礎(chǔ)上,給出一種適用于GSM/GSM-R網(wǎng)絡(luò)的無線路測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)為GSM/GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作者提供了有效的工具。

關(guān)鍵詞:鐵路專用通信;GSM-R;無線路測(cè)系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

中圖分類號(hào):TN929.533文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)19-215-04

Research and Implementation of Special Communication Based on

Railway GSM-R Drivetest of Wireless System

ZHANG Chongyang

(Xi′an Railway Vocational Technical Institute,Xi′an,710014,China)

Abstract:The GSM-R network is a new generation of railway wireless communication system,a wireless interface for its drivetest of the instrument is increasingly becoming the urgent need for network optimization workers.GSM-R network structure,business model and wireless interface protocol are analysed,and then the purpose of testing wireless road network optimization,as well as the significance of the work are discussed,on the basis of analysing the theories,an application in the GSM / GSM-R network of wireless measurement system road is given.The system provides an effective instrument for GSM/GSM-R network of excellent workers.

Keywords:special railway communication;GSM-R;drivetest of the wireless system;network optimization

0 引 言

GSM-R是基于GSM技術(shù)的一種專用通信系統(tǒng)——鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的GSM技術(shù)相比,GSM-R除了能提供一系列鐵路通信業(yè)務(wù)外,還能保證列車在500 km/h的情況下進(jìn)行高可靠性、高接通率、高傳輸質(zhì)量的通信。當(dāng)前,GSM-R技術(shù)成為國際國內(nèi)鐵路通信發(fā)展的焦點(diǎn),我國在GSM-R技術(shù)上也有了一定的進(jìn)展。2004年開始在青藏鐵路、大秦線電氣化改造和京滬高速鐵路的建設(shè)中進(jìn)行GSM-R鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、建設(shè)和試運(yùn)營。與此同時(shí),由于目前國內(nèi)的GSM-R路測(cè)系統(tǒng)十分稀少,對(duì)GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也開始成為GSM-R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的一個(gè)當(dāng)務(wù)之急。為了真正了解GSM-R網(wǎng)絡(luò),調(diào)測(cè)GSM-R網(wǎng)絡(luò),優(yōu)化GSM-R網(wǎng)絡(luò),本文提出并設(shè)計(jì)出了一種既適用于GSM網(wǎng)絡(luò)又適用于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的無線路測(cè)系統(tǒng)。一方面,在GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初期,通過本系統(tǒng)的輔助能夠合理地進(jìn)行頻率分配、小區(qū)參數(shù)的調(diào)整:另一方面,可以優(yōu)化已建GSM和GSM-R網(wǎng)絡(luò)的性能,提高通信質(zhì)量[1]。

1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)介紹

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能

一個(gè)GSM-R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)功能實(shí)體組成。各個(gè)功能實(shí)體所實(shí)現(xiàn)的功能的集合就是GSM-R網(wǎng)絡(luò)提供給用戶的基本業(yè)務(wù)與補(bǔ)充業(yè)務(wù)。GSM-R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基于GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),主要由基站子系統(tǒng)(BSS)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)、操作與維護(hù)子系統(tǒng)(OSS)三部分組成,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

BSS主要由基站控制器(BSC)、基站收發(fā)信臺(tái)(BTS)組成。通過無線接口(Um)與移動(dòng)臺(tái)(MS)相連,A接口與NSS相連。BTS是網(wǎng)絡(luò)固定部分與無線部分之間進(jìn)行通信的中繼,MS通過空中接口與BTS進(jìn)行連接,是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無線接入部分,是終端用戶最直接感受網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的部分。一個(gè)或幾個(gè)BTS連接到一個(gè)BSC上,BSC主要提供在其覆蓋區(qū)域內(nèi)的無線電資源管理與移動(dòng)性管理的功能,以及提供無線電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營與維護(hù)功能。BSS還有可能存在編碼速率適配單元(TRAU),實(shí)現(xiàn)編碼速率轉(zhuǎn)換。

圖1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)

NSS一般由六個(gè)功能實(shí)體組成,分別是移動(dòng)交換中心(MSC)、歸屬位置寄存器(HLR)、拜訪位置寄存器(VLR)、鑒權(quán)中心(AUC)、設(shè)備識(shí)別寄存器(EIR),組呼寄存器(GCR)。NSS主要負(fù)責(zé)端到端的呼叫、用戶數(shù)據(jù)管理、移動(dòng)性管理和固定網(wǎng)絡(luò)的連接。其中MSC是NSS的核心,用于建立業(yè)務(wù)信道和在MSC之間或與其他網(wǎng)絡(luò)之間交換信令消息。與MSC相連的是VLR,VLR管理在一個(gè)MSC區(qū)內(nèi)漫游移動(dòng)用戶信息的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫。HLR存儲(chǔ)的是在網(wǎng)絡(luò)中永久注冊(cè)的移動(dòng)用戶的靜態(tài)信息,如用戶信息、承載和定制的用戶信息等。AUC完成對(duì)用戶的鑒權(quán)及為移動(dòng)臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)之間的無線通信進(jìn)行加密。EIR用來存儲(chǔ)IMEI(國際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別符)[3]。作為GSM-R網(wǎng)絡(luò)的特有組件GCR,用于存儲(chǔ)移動(dòng)用戶的組ID、移動(dòng)臺(tái)發(fā)起語音組呼(VGCS)和語音廣播(VBS)參考的小區(qū)信息及發(fā)起呼叫的MSC是否負(fù)責(zé)處理呼叫的指示。

OSS可分為對(duì)應(yīng)BSS的操作與維護(hù)中心OMC-R及對(duì)應(yīng)NSS的操作與維護(hù)中心OMC-S。OSS是操作人員與系統(tǒng)設(shè)備之間的中介,它實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集中操作與維護(hù),完成了包括移動(dòng)用戶管理、移動(dòng)設(shè)備管理及網(wǎng)絡(luò)操作維護(hù)等功能。它的一側(cè)與設(shè)備相連,另一側(cè)是作為人機(jī)接口的計(jì)算機(jī)工作站。這些專門用于操作維護(hù)的設(shè)備被稱為操作維護(hù)中心OMC。系統(tǒng)的每個(gè)組成部分都可以通過特有的網(wǎng)絡(luò)連接至OMC,從而實(shí)現(xiàn)集中維護(hù)[4]。

1.2 業(yè)務(wù)模型

GSM-R是專門為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng),它基于GSM的基礎(chǔ)設(shè)施及其提供的高級(jí)語音呼叫業(yè)務(wù),其中包括增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)與強(qiáng)拆(eMLPP)、VGCS和VBS,并提供鐵路特有的調(diào)度業(yè)務(wù),包括:功能尋址、功能號(hào)表示、接入矩陣和基于位置的尋址,并以此作為信息化平臺(tái),使鐵路部分可以在此信息平臺(tái)上開發(fā)各種應(yīng)用。GSM-R的業(yè)務(wù)模型[3]如圖2所示。

2 無線接口協(xié)議

無線接口(Um)是MS與BTS之間的通信接口,又稱為空中接口(airinterface),用于移動(dòng)臺(tái)與GSM-R系統(tǒng)固定部分之間的通信,其物理連接通過無線鏈路實(shí)現(xiàn)。此接口傳遞的信息包括無線資源管理、移動(dòng)性管理和接續(xù)管理等。

圖2 GSM-R的業(yè)務(wù)模型

2.1 協(xié)議分層(三層)

空中接口對(duì)應(yīng)于OSI(開放系統(tǒng)互連)模型的低三層,分為物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。與OSI的分層模型不是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。

物理層(PHL):支持TDMA幀、FDMA和邏輯信道復(fù)用。提供無線鏈路的傳輸通道,為高層提供不同功能的邏輯信道,如業(yè)務(wù)信道與控制信道。物理層在MAC層的控制下,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)分組的收發(fā)。

鏈路層:包括介質(zhì)接入控制層MAC和數(shù)據(jù)鏈路控制層(DLC)。前者通過形成多種邏輯信道為高層提供不同的業(yè)務(wù);后者為網(wǎng)絡(luò)層提供非?？煽康臄?shù)據(jù)鏈路。為內(nèi)部控制信令和有限數(shù)量的用戶信息提供非?？煽康膫鬏旀溌?。

網(wǎng)絡(luò)層:主要是信令層,包括連接管理(CM)、移動(dòng)性管理(MM)、無線資源管理(RM)。確定了用于鏈路控制、呼叫控制、附加業(yè)務(wù)、面向連接的消息業(yè)務(wù)、無連接的消息業(yè)務(wù)等各種功能。

2.2 無線資源工作模式

無線資源管理的目的是建立、保持、并釋放網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)臺(tái)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話的無線資源(RR)連接。一個(gè)RR連接是兩個(gè)同等實(shí)體間的一條物理連接,用于支持上層間信息流量的變化。無線資源管理主要向上層提供四種工作模式,分別為:空閑模式、專用模式、群發(fā)模式、群收模式。

空閑模式:沒有為任何MS分配專用信道,不存在RR連接,此時(shí)MS只能收到CCCH(公共控制信道)和BCCH(廣播控制信道)信道的廣播消息。MS分析接收到的尋呼消息和廣播消息,選擇駐留在信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的小區(qū)上,MS對(duì)應(yīng)于待機(jī)狀態(tài)。

專用模式:為MS至少分配了兩個(gè)專用信道,其中只能有一個(gè)是SACCH(慢速隨路控制信道)。MS與BTS此時(shí)建立起了一個(gè)雙向的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)物理連接,用于信息的傳輸?？赏ㄟ^小區(qū)自動(dòng)重選和切換來保持RR連接。MS對(duì)應(yīng)于通話狀態(tài)或者位置更新狀態(tài)。

群發(fā)模式:為語音組呼的MS分配兩個(gè)專用信道,這兩個(gè)信道可以同時(shí)分配給一個(gè)MS或者分配給不同的MS。MS與BTS此時(shí)建立的RR連接與專用模式類似,不過在建立過程中的信令消息有所不同,特別地指明了該模式用于群發(fā)通信。MS對(duì)應(yīng)于VGCS或者VBS中講者的狀態(tài)。

群收模式:沒有為MS分配與網(wǎng)絡(luò)連接的專用信道,它以無應(yīng)答的方式接收分配給小區(qū)的語音廣播信道或者語音組呼信道下行鏈路的消息。此時(shí)MS對(duì)應(yīng)于VGCS或者VBS中聆聽者的狀態(tài)[5]。

3 GSM-R無線路測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)通過監(jiān)聽,捕獲Um口中MS與BTS進(jìn)行通信的信令信息,從而獲得GSM-R網(wǎng)絡(luò)的無線質(zhì)量參數(shù),結(jié)合GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化知識(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行加工處理,通過顯示模塊的精心設(shè)計(jì),向用戶直觀、清晰地呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況,并在最后給出了GSM-R網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況的性能報(bào)表[6]。

3.1 路測(cè)環(huán)境

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境:衛(wèi)星,GSM/GSM-R網(wǎng)絡(luò);

測(cè)試儀器:裝有本系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)一臺(tái),測(cè)試手機(jī)一部,GPS一臺(tái),接口線若干。

3.2 系統(tǒng)采集參數(shù)

(1) 網(wǎng)絡(luò)識(shí)別參數(shù)

移動(dòng)國家號(hào)(MMC)、移動(dòng)網(wǎng)號(hào)(MNC)、位置區(qū)碼(LAC)、小區(qū)識(shí)別(CI)、網(wǎng)絡(luò)色碼(NCC)、基站色碼(BCC)。

(2) 系統(tǒng)控制參數(shù)

公共控制信道配置、接入準(zhǔn)許保留塊數(shù)、尋呼信道復(fù)幀數(shù)、周期位置更新定時(shí)器、小區(qū)信道描述、無線鏈路超時(shí)(RLT)、鄰小區(qū)描述、允許的網(wǎng)絡(luò)色碼、最大重發(fā)次數(shù)(MR)、發(fā)送分布時(shí)隙數(shù)(TI)、小區(qū)接入禁止(CBA)、接入等級(jí)控制(AC)。

(3) 小區(qū)選擇與重選參數(shù)

小區(qū)重選滯后(CRH)、控制信道最大功率電平(MTMC)、允許接入最小接收電平(RXLEVaccessmin)、小區(qū)禁止限制(CBQ)、小區(qū)重選參數(shù)指示(PI)、小區(qū)重選偏置(CRO)、懲罰時(shí)間(PT)、臨時(shí)偏置(TO)。

(4) 網(wǎng)絡(luò)功能參數(shù)

功率控制指示(PERC)、非連續(xù)發(fā)送(DTX)、呼叫重建允許(RE)、緊急呼叫允許(EC)、移動(dòng)分配索引位置(MAIO)、跳頻序列號(hào)(HSN)[7]。

(5) GPS參數(shù)

經(jīng)度、緯度。

(6) 性能參數(shù)

通話接通率、通話失敗率、信道利用率、分配失敗率、掉話率、切換成功率、切換失敗率。

3.3 系統(tǒng)功能

(1) 實(shí)時(shí)跟蹤信令

能夠?qū)崟r(shí)地跟蹤各個(gè)邏輯控制信道信令。

BCCH:包括systeminformation1,systeminformation2等;

PCH(尋呼信道):包括pagingrequesttype1,pagingrequest type2等;

SACCH:包括systeminformation5,systeminformation6;

AGCH(接入允許信道):包括immediateassignment,immediateassignmentreject等;

RACH(隨機(jī)接入信道):包括channelrequest,uplinkaccess。

此外,還能跟蹤層2和層3信令:包括:setup,alerting,disconnect等。

(2) 掃頻測(cè)試

在空閑模式(idlemode)下,能夠?qū)λ蓄l率(GSM900/GSM1800/GSM-R等)進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描。動(dòng)態(tài)顯示對(duì)應(yīng)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)和基站色碼,實(shí)時(shí)跟蹤所占用ARFCN(絕對(duì)無線頻率信道號(hào))受干擾程度?？梢詸z查相鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度,檢查小區(qū)的覆蓋情況和同鄰頻干擾[8]。

(3) 鎖頻測(cè)試

在雙頻網(wǎng)絡(luò)中,測(cè)試手機(jī)會(huì)自動(dòng)選擇信號(hào)較強(qiáng)的頻道作通話網(wǎng)絡(luò)。如果碰到雙頻網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)弱接近的區(qū)域,就可能出現(xiàn)線路忙或“跳頻”[9](跳頻:在兩個(gè)頻道之間不斷切換)的情況。所以,用戶想讓手機(jī)接收比較穩(wěn)定,減少跳頻問題,就可以利用“鎖頻”這項(xiàng)手機(jī)操作功能,觀察移動(dòng)臺(tái)在某一固定頻點(diǎn)下的接收電平的變化。

(4) 強(qiáng)制切換

強(qiáng)制切換是在專用模式下允許移動(dòng)臺(tái)在未滿足切換條件的情況下,強(qiáng)制切換到另一頻點(diǎn)的小區(qū)。利用強(qiáng)制操作采集MS接收到的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況,其強(qiáng)制區(qū)域主要是各小區(qū)鄰接處,用于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)規(guī)劃的合理性、正確性,某些小區(qū)的實(shí)際覆蓋區(qū)域是否超過了規(guī)劃區(qū)域,同時(shí)還可以通過切換信令、分析掉話原因。

(5) GSM/GSM-R基站開通測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實(shí)施后,常常要測(cè)試基站信號(hào)覆蓋范圍,查找盲區(qū)。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集目前所在小區(qū)以及相鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度變化。本系統(tǒng)支持GPS定位系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)打印目前所在的位置,結(jié)合DT(車測(cè))網(wǎng)絡(luò)測(cè)試方法,能夠得到車所經(jīng)過的路線上任何一個(gè)采集點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度、基站識(shí)別碼、絕對(duì)頻點(diǎn)、信號(hào)強(qiáng)度。

(6) 根據(jù)信令分析查找各種網(wǎng)絡(luò)問題

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及無線信令,應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化可以使網(wǎng)絡(luò)資源獲得最佳效益。信令包括:尋呼、鑒權(quán)、加密、分配信道、切換、測(cè)量報(bào)告、位置更新,能清晰顯示出通話的起呼、切換、位置更新、結(jié)束通話和掉話等各部分的信令流程。將現(xiàn)場(chǎng)采集到的信令與GSM-R各類業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)信令流程作對(duì)比,能夠定位到如掉話、TCH(業(yè)務(wù)信道)擁塞、SDCCH(獨(dú)立專用控制信道)擁塞等網(wǎng)絡(luò)故障[10]。

(7) 雙手機(jī)大話務(wù)量呼叫與統(tǒng)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中,常利用大話務(wù)量測(cè)試來得到呼叫接通率、掉話率、呼叫失敗率、切換成功率等性能參數(shù),來了解網(wǎng)絡(luò)的健壯性與可行性。本系統(tǒng)支持雙手機(jī)互呼測(cè)試,通過自動(dòng)撥號(hào)功能,設(shè)定呼叫數(shù)量、持續(xù)時(shí)間、被叫號(hào)碼等參數(shù),呼叫完畢后能夠提供回放以及通話統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

(8) 測(cè)試GSM-R特有業(yè)務(wù)

GSM-R特有的業(yè)務(wù)包括VGCS,VBS等。普通的GSM路測(cè)系統(tǒng)在GSM-R網(wǎng)絡(luò)不適用。本系統(tǒng)能夠?qū)SM-R特有業(yè)務(wù)進(jìn)行參數(shù)采集、信令捕捉。

4 結(jié) 語

在總結(jié)分析GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)模型、無線接口協(xié)議等這些理論的基礎(chǔ)上,討論了無線路測(cè)的目的以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作的意義,并給出了一種適用于新一代鐵路無線通信系統(tǒng)——GSM/GSM-R網(wǎng)絡(luò)的無線路測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)為GSM/GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作者提供了有效的工具。

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作者簡(jiǎn)介 張重陽 女,1965年出生,陜西涇陽人,講師,碩士?，F(xiàn)主要從事電子與通信工程領(lǐng)域方向的教學(xué)與研究。

作者簡(jiǎn)介 張永生 男,1980年出生,黑龍江雙鴨山人,2006年6月獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院碩士學(xué)位,專業(yè)為控制理論與控制工程,現(xiàn)就職于廣州日濱科技發(fā)展有限公司。

文 科 男,1982年出生,湖南祁陽人,2006年6月獲廣西大學(xué)碩士學(xué)位,專業(yè)為控制理論與控制工程,現(xiàn)就職于廣州日濱科技發(fā)展有限公司。